1. bases :
Outre la température, l’humidité, c’est-à-dire la teneur en vapeur d’eau de l’air, est une variable météorologique importante. Cela devient compréhensible quand on considère que l’eau sous ses diverses formes est impliquée dans un grand nombre de phénomènes météorologiques. Cela s’applique non seulement aux nuages, au brouillard et aux nombreux types de précipitations, dont la formation, comme l’évaporation, implique la conversion d’énormes quantités d’énergie, mais aussi à l’émission et à l’absorption de rayonnement à ondes longues, pour lesquelles la teneur en vapeur d’eau de l’air est essentielle.
2. valeurs d'humidité mesurées
En fonction des nombreux problèmes différents dans lesquels l'humidité de l'air joue un rôle, il existe toute une gamme de mesures d'humidité.
a) La pression de vapeur d'eau eL est la pression partielle de vapeur d'eau dans l'air. Elle est spécifiée en Pa (Pascal) selon la norme. En météorologie - notamment dans la littérature - l'unité de pression mbar (millibar) est utilisée, mais n'est plus utilisée depuis 1978. Le millibar est remplacé par l'hectoPascal (1 mbar = 100 Pa = 1 hPa). Les anciennes unités de pression mm Hg ou Torr ne sont plus autorisées (1 Torr = 1,3332 mbar = 133,32 Pa).
Dans des conditions normales, la pression de vapeur eL ne peut pas dépasser la pression de vapeur saturante E car la condensation se produit lorsque eL = E. E est une fonction pure de la température et ne dépend pas de la pression atmosphérique en particulier. L'équation physique de base décrivant la dépendance de la pression de vapeur saturante sur la température est l'équation de Claudius-Clapeyron connue de la thermodynamique.
1] dE / dT = (r/(ΔV - T))
ΔV est le changement de volume spécifique lors de la transition de phase de l'eau à la vapeur (ou de la glace à la vapeur) et r est la chaleur de transformation de phase spécifique correspondante (en J/kg). Si le volume de la phase liquide/solide est négligé par rapport à celui de la phase gazeuse, l'équation du gaz idéal pour la vapeur d'eau peut être utilisée pour V = 1/pw, et on obtient ce qui suit
2] dE / dT = Er ( Rw - T2 (2)
où Rw est la constante des gaz pour la vapeur d'eau ( 461,4 J kg-1K-1).
Si r était constant, cette équation pourrait être facilement intégrée, mais ce n’est pas le cas. Comme on peut l’illustrer facilement par un cycle de Carnot le long de la courbe limite de phase eau/vapeur d’eau (ou glace/vapeur d’eau)
3] r(T) = r (T0) - (cw- cpW) (T - T0).
T0 est une température de référence (en principe arbitraire) et cw(cpw) est la capacité thermique spécifique de l'eau liquide S (vapeur d'eau). Parce que cw > cpw, r diminue avec l’augmentation de la température.
Si (3) est inséré dans (2), les résultats suivants sont obtenus
dE / dT = Er ( Rw - T2-r(T0)-(cw-CpW) (T - T0) (4)
En supposant des capacités thermiques massiques constantes, cette équation peut également être intégrée
ln(E / E0) =(r (T0)+T0(cw - cpw))/Rw[(1/T0) - (1/T)] -[(cw-cpw)/Rw]ln(T/T0)
ou E = E0[T0/T]((cw-cpw)/Rw) - exp[( r (T0)+T0(cw - cpw))/Rw) - [(1/T0) - (1/T)] ]
Si l'on fixe
T0= 273,15 K,
Rw = 461,4 J kg-1 K-1,
cw= 4186,8 J kg-1K-1,
cpw=1850 J kg-1K-1 et
r(T0)=2,501-106 J kg-1
un, tu obtiens
E = 6,1078 hPa[273,15/T]5,072 - exp [6804,75[3,661-10-3 - (1/T)]].
Malheureusement, cw et cpw dépendent également quelque peu de la température, de sorte que la formule (6) devient inexacte à des températures plus élevées. Dans la pratique, on utilise donc principalement des formules empiriques (appelées formules Magnus), obtenues à partir de mesures précises en laboratoire. Les formules Magnus pour la pression de vapeur saturante au-dessus de l'eau (plage de validité 0 °C - 100 °C), au-dessus de l'eau surfondue (plage de validité -50 °C - 0 °C) et au-dessus de EiS (plage de validité -50 °C - 0 °C) sont données ci-dessous.
[( 22.4429 •Eau (0 °C -100 °C)
E = 6,1078 - e [(17,0809 -e)/( 234-175+e)] (7)
Eau sous-refroidie :
E = 6,1078 - e [(17,8436 - e) / (245,425+e)]
Glace (-50 °C-0 °C)
E = 6,1071-ee] / (27244 + e)]
Dans ces équations de valeurs numériques, E est donné en hPa si θ(°C) est utilisé. Ils font référence à la pression de vapeur qui est en équilibre avec une surface plane d'eau pure (glace). Au-dessus de la glace, la pression de vapeur saturante est inférieure à celle au-dessus d'une surface d'eau (surfondue) à la même température, à l'exception de la valeur à 7,4 -10-3 °C (point triple). Le tableau suivant est destiné à fournir un point de référence pour E(θ) :
θ(ªC) :-30 -20 -10 0 10 20 30 °C
Ew:0,51 1,25 2,86 6,11 12,29 23,42 42,49 hPa
EE : 0,38 1,03 2,60 6,11 hPa
b) Le point de rosée θd est la température dont la pression de vapeur saturante sur l'eau Ew(θd) est juste égale à la pression de vapeur réelle eL(θL). Lorsqu'on parle de glace, on parle de point de gel.
Ce qui suit s'applique : Ew(θd) = eL(θL).
c) L'humidité absolue a est la densité de vapeur d'eau, c'est-à-dire la masse de vapeur d'eau par unité de volume. L'indication correcte de l'humidité absolue est kg-m-3. Pour être pratique
Pour obtenir des valeurs numériques, a est généralement donné en gm-3. À partir de l'équation du gaz a = ρw = eL /RW - T on peut obtenir la formule
a = 0,795 - eL / [l + (θ/273)] (10)
...de l'autre côté. Il donne a en gm-3 (ou mgl-) si eL est utilisé en hPa et θ(°C).
(d) L'humidité spécifique s est le rapport entre la masse de vapeur d'eau et la masse totale d'air humide du même volume. Ceci est équivalent au rapport des valeurs correspondantes
les densités, donc s = ρw/(pL + pw). En utilisant l'équation du gaz et RL/Rw = 0,623 suit
s = (0,623 - eL ) / (p - 0,377 - eL),
où p et eL peuvent être donnés dans n'importe quelle unité (égale), s est un nombre pur ; mais elle est généralement donnée en g-kg-1 = 10-3. En raison de eL "p, l'équation (11) peut être très bien approximée dans
5 = 623 - (eL /p) g/Kg
remodeler.
(e) Le rapport de mélange m est le rapport de la masse de vapeur d'eau à la masse d'air exempt de vapeur d'eau du même volume. De cette définition découle
m = .(623 - eL) / (p - eL)
En ce qui concerne les unités, les mêmes dispositions s'appliquent que celles mentionnées précédemment à l'art. Approximativement m = s, de sorte que la formule approximative (12) peut être utilisée.
Le fait que deux quantités similaires telles que s et m soient utilisées en même temps est dû au fait que certaines lois sont plus faciles à écrire avec s, d'autres plus faciles à écrire avec m. Dans la plupart des cas pratiques, s et m sont identiques. Les deux sont des quantités d’humidité météorologiques typiques. En tant que rapports de masses dans le même volume, leur valeur ne change pas avec les changements de pression et de température de l'air humide. Contrairement aux autres variables d'humidité, elles ne changent pas, en particulier lors des déplacements verticaux d'une parcelle d'air et sont donc invariantes lors de nombreux processus météorologiques significatifs (par exemple, l'ascension adiabatique).
f) Le déficit de saturation EL - eL. également appelé faim de vapeur, il est parfois utilisé à son avantage dans les considérations liées à l'évaporation. Cependant, c'est tout aussi peu une mesure pour cela
Teneur en vapeur d'eau de l'air comme
(g) l'humidité relative f. Ceci indique le rapport entre la pression de vapeur d'eau actuelle eL et la pression de vapeur saturante EL au-dessus de l'eau (!) à la température de l'air tL.
f = (eL/EL) = 100 - (eL/EL)
f est généralement donné en %. Son utilisation fréquente est probablement due en grande partie à sa simplicité de mesure. Parfois, vous avez également besoin de
(h) déficit de saturation relatif EL / eL
(EL / eL)/EL = 1 - f(15)
c'est-à-dire l'addition de f à 1
(i) Enfin, il convient de mentionner ici au moins deux quantités qui, bien qu'elles ne soient pas des indications directes de la teneur en humidité, peuvent être considérées comme des quantités d'humidité : la température du bulbe humide t` et la température équivalente flat.
Outre la température, l’humidité, c’est-à-dire la teneur en vapeur d’eau de l’air, est une variable météorologique importante. Cela devient compréhensible si l’on considère qu’avec un grand nombre de données météorologiques,
3. méthode de mesure de l'humidité
Le grand nombre de variables d'humidité mesurées correspond à un nombre à peine plus petit de méthodes de mesure de l'humidité, dont certaines permettent la mesure directe de l'une ou l'autre des variables mentionnées ci-dessus.
a) Malheureusement, il n’existe pas de méthode simple et efficace pour déterminer directement la pression de vapeur eL. La bouteille de Rüdorff, dans laquelle l'air à examiner est introduit dans une bouteille et la vapeur d'eau est extraite en introduisant un dessiccant de sorte que la chute de pression soit égale à e, fournit des valeurs inadéquates en raison des changements de pression et de température pendant la mesure et a donc plus le caractère d'un objet de démonstration. De même, les expériences avec des films perméables à la vapeur d’eau mais imperméables à l’air (cellophane) n’ont pas encore donné de résultats satisfaisants. Avec une certaine justification, les méthodes mentionnées sous b), e) et f), dans lesquelles la pression de vapeur du capteur est égale à celle de l'air à l'équilibre, pourraient être comptées parmi elles.
b) Si une surface non hygroscopique est lentement refroidie de plus en plus en dessous de la température de l'air, alors finalement, après avoir atteint le point de rosée td, une condensation se produira qui disparaîtra à nouveau lorsqu'elle sera chauffée. On pourrait s'attendre à ce que la température au début de la buée et la température à la disparition de la buée soient égales à la température du point de rosée td. En réalité, le premier est en dessous et le second au dessus de td. Dans la plupart des cas, il suffit de prendre la moyenne des deux lectures comme Δd. Le principe de mesure simple a conduit à la construction de nombreux types d'hygromètres à condensation (piézomètres à point de rosée), mais leur précision de mesure n'a souvent pas répondu aux attentes. Cela est dû en partie aux difficultés à produire la surface non hygroscopique nécessaire. La meilleure expérience a été réalisée avec des surfaces métalliques polies (en particulier l'or). En dessous de 0 °C, où la méthode du point de rosée serait particulièrement intéressante en raison des erreurs croissantes des autres méthodes de mesure de l'humidité, la décision de savoir si le brouillard est de la rosée (sous-refroidie) ou du givre pose parfois des difficultés. Enfin, le fait que l'air qui passe ne soit en aucun cas homogène en termes d'humidité, car des parties d'air plus humides et plus sèches alternent, entraîne des imprécisions.
Au moins la technologie de mesure moderne a trouvé des moyens de réduire ces erreurs en utilisant des éléments de mesure minces en forme de plaquettes pour réduire considérablement l'inertie, permettant au refroidissement et au chauffage (dont certains sont inductifs, par courant de Foucault) de se succéder automatiquement et rapidement, détectant la formation de buée de manière photoélectrique et assurant un échange d'air rapide. Des appareils entièrement automatiques ont été développés à partir de plusieurs technologies électroniques modernes, mais - notamment en raison de leur coût - ils ne peuvent pas être utilisés de manière générale.
c) Les hvqmètres d'absorption sont utilisés pour la mesure directe de l'humidité absolue a. A cet effet, l'air à examiner est passé à travers des récipients (tubes en U, cylindres) contenant des substances fortement hygroscopiques (H2SO4 sur pierre ponce, CaP2O5CI2, ), qui absorbent la vapeur d'eau ; l'augmentation du poids des tubes de mesure et du volume de l'air qui les traverse donne directement a. Bien que la méthode soit très précise si l'on prend suffisamment de précautions, elle est très laborieuse en termes de fonctionnement, de sorte qu'elle est davantage limitée aux tests de laboratoire et n'est pas utilisée dans la pratique.
d) La pression de vapeur saturante EL sur l'eau pure est - comme déjà mentionné ci-dessus - donnée par l'équation. (7) ou le tableau suivant et est une fonction de température pure. Si l'eau est contenue dans d'autres substances ou si de telles substances sont dissoutes dans l'eau, la pression de vapeur eL alors obtenue est donnée par
eL = f-EL (16)
est donné, où f < 1 est généralement un facteur qui est pratiquement indépendant de la température et ne dépend que de la teneur en eau de la substance. Dans l'équilibre de pression de vapeur avec l'air ambiant, la teneur en eau de la substance du capteur, qui est clairement liée à f, est donc une mesure de l'humidité relative de l'air, dont la définition est identique à (16) selon l'équation (14). L'élément de mesure doit bien entendu avoir la température de l'air. Si l'on mesure la teneur en eau de telles substances, ce qui peut bien sûr aussi être fait indirectement via d'autres propriétés dépendant de la teneur en eau, on obtient d'abord l'humidité relative f et à partir de celle-ci et de la température de l'air la pression de vapeur eL. Toute une série de méthodes de mesure de l’humidité reposent sur cette possibilité.
La méthode évidente de mesure de la teneur en eau par pesée a été utilisée à plusieurs reprises dans des recherches individuelles, tout comme l'observation des changements de volume dans une série de solutions convenablement sélectionnées de teneurs en eau différentes. En revanche, le gonflement, qui dépend de la teneur en eau (et donc de f), joue un rôle beaucoup plus important. Malgré des recherches approfondies, également avec de nouveaux types de plastiques, le premier élément de mesure de l'humidité, à savoir le cheveu humain dégraissé (Saussure 1783), n'a pas encore pu être remplacé, sauf dans les cas présentant des questions particulières. Entre 0 et 100 % d'humidité relative, ce cheveu change de longueur d'environ 2,5 %, bien que la relation entre le changement de longueur relative X et l'humidité relative f ne soit pas linéaire.
f:0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100%
X0 21 39 53 64 73 79 85 90 95 100 %
Cette relation s'applique au traitement des cheveux selon la méthode habituelle, qui dégraisse le tissu sans l'agresser. Les méthodes de traitement les plus récentes donnent lieu à des caractéristiques différentes, parfois plus linéaires.
En augmentant mécaniquement le changement de longueur des cheveux, on peut facilement le lire comme une éruption cutanée sur une échelle divisée à peu près également en % d'humidité relative. L’un des types d’hygromètre à cheveux les plus courants est l’hygromètre Koppe. Avec cet instrument, les cheveux sont serrés dans un cadre. Une extrémité est enroulée autour d’un rouleau qui déplace le pointeur. L'autre extrémité est réglable en permanence afin que l'aiguille puisse être alignée sur l'humidité réelle à un point de l'échelle. Le point de saturation sert de point d'étalonnage. L'air autour des cheveux peut être saturé en insérant un cadre recouvert de gaze humide dans l'instrument et en le fermant. La saturation se produira alors immédiatement et le pointeur pourra être déplacé vers 100 %.
le point peut être défini. Pour des tests supplémentaires, vous pouvez retirer le couvercle et la gaze et comparer l'affichage aux valeurs d'humidité moyennes (pièce) avec un autre humidimètre. Il peut être nécessaire de réaliser un tableau de correction.
Outre l'hygromètre Koppe, d'autres types sont bien sûr également utilisés. Pour les mesures dans de petites pièces, l'hygromètre à cheveux selon Diem est souvent très utile. Les hygromètres à aiguille en forme de boîte, qui indiquent également la température (polymètres), permettent de lire l'humidité absolue sur un diagramme dans le cas de versions avec deux aiguilles à l'intersection des deux, etc. Puisque l'humidité relative est une indication de la teneur en eau de produits tels que le bois, les céréales, le tabac, etc., nous avons construit des hygromètres à aiguille à cet effet.
Malheureusement, les cheveux présentent quelques défauts. Sa lecture peut être visualisée avec précision à 2...3 % d'humidité relative, à condition de la comparer à plusieurs reprises avec un psychromètre. Si on le laisse reposer à l'air sec pendant une période prolongée, il montre des signes de vieillissement, ce qui peut entraîner des erreurs allant jusqu'à 10 %. Les erreurs disparaissent en grande partie si les cheveux sont placés dans de l'air saturé ou presque saturé pendant une courte période et ainsi « régénérés ». Dans les mesures sur le terrain, cela devrait être le cas presque toutes les nuits de toute façon. Les petites tensions peuvent être inversées par « régénération », les fortes tensions rendent les cheveux inutilisables. Seuls les cheveux propres fonctionnent parfaitement, vous ne devez donc pas les toucher avec vos doigts. Malgré le petit diamètre (50 µm), une inertie plus faible est parfois souhaitable, notamment à basse température (par exemple radiosonde). Frankenberger y est parvenu en enroulant les cheveux (cheveux Velox). Cependant, de telles interventions fortes, qui sont également possibles avec des moyens chimiques, modifient les caractéristiques et réduisent la résistance.
Mais les cheveux ont aussi des avantages. L'indication de l'humidité relative, qui est pratiquement indépendante de la température, a déjà été mentionnée ci-dessus. Son plus grand avantage réside cependant dans le fait que son indication peut être enregistrée par des moyens simples, un avantage qui, malgré tous ses défauts, a donné à l'hygromètre à cheveux - et donc probablement pas tout à fait à juste titre aussi à l'humidité relative - une position difficile à contester. Comme la force de réglage d'un seul cheveu ne suffit pas à vaincre le frottement d'un instrument d'écriture, plusieurs cheveux y sont utilisés comme faisceaux ou harpes. Il convient également de mentionner que la variation de longueur peut être transférée vers des instruments d'affichage et d'enregistrement éloignés du point de mesure au moyen de procédures électriques appropriées (par exemple des transmetteurs de résistance).
Comme déjà mentionné ci-dessus, outre le changement de longueur des substances gonflantes, d'autres propriétés dépendant de la teneur en eau peuvent également être utilisées comme variable mesurée principale. Par exemple, les changements de couleur des sels de cobalt, déjà courants dans les hygroscopes simples, ont été utilisés, tout comme la dépendance du comportement diélectrique à la teneur en eau.
e) La conductivité électrique devient de plus en plus importante pour mesurer l’humidité de l’air. Pour les solutions de sels, etc., cela dépend fortement de la concentration, c'est-à-dire de la teneur en eau. La dépendance intrinsèquement perturbatrice de la température étant bien connue, elle peut être éliminée par calcul ou, dans le cas de méthodes plus récentes, même par un circuit approprié. Par exemple, une bande de verre équipée de deux électrodes est utilisée comme élément de mesure de l'humidité de la sonde radio américaine. Entre les électrodes se trouve une fine couche de plastique dans laquelle du LiCI est incorporé sous forme de substance hygroscopique. Comme pour les cheveux, à l’équilibre, la pression de vapeur de la substance hygroscopique est égale à celle de l’air. La mesure directe en tant que grandeur électrique constitue un avantage notable, notamment pour la radiosonde. Bien entendu, d’autres substances appropriées peuvent être utilisées en plus du LiCI.
f) Une autre méthode, apparemment similaire, utilise généralement également du LiCI avec une substance porteuse. Dans ce cas, cependant, un courant de chauffage est envoyé à travers le film hygroscopique via les électrodes de sorte que l'élément de mesure chauffe et que l'eau s'évapore jusqu'à obtenir une solution concentrée de LiCI dans laquelle des cristaux sont déposés. A l'équilibre, la pression de vapeur de la solution concentrée de LiCI est alors égale à celle de l'air. La pression de vapeur e peut être déterminée à partir de la température de l'élément de mesure selon une relation empirique ou par étalonnage. Étant donné que la ventilation (équation du bilan thermique !) influence la courbe d'étalonnage, elle doit être constante, ce qui est généralement obtenu en utilisant des pare-brise.
g) Le changement de capacité d'un condensateur dû à un changement du diélectrique lorsque des molécules d'eau sont présentes peut également être utilisé pour mesurer l'humidité. Cela se fait avec le « hygrotest » qui sera utilisé dans l'expérience. Le diélectrique dans le condensateur de ce capteur d'humidité est un
Mélange de plastiques hautement polymères qui absorbent les molécules d'eau en fonction de la pression partielle de vapeur d'eau. En raison de leur propre moment dipolaire dans le champ du condenseur, ces molécules s'orientent vers l'extérieur (polarisation d'orientation) et provoquent ainsi un changement de capacité, qui est converti en interne et affiché numériquement sous forme d'humidité relative.
h) Parmi toutes les méthodes de mesure de l'humidité décrites jusqu'à présent, l'instrument de mesure de l'humidité le plus courant est celui qui convertit la vapeur d'eau en eau liquide au niveau de l'élément de mesure ou vice versa. En raison de la très faible teneur en eau de l'air à basse température, cela entraîne des temps de réponse très longs. C'est la raison principale pour laquelle, à l'heure actuelle, seules quelques valeurs d'humidité fiables peuvent être obtenues à des altitudes supérieures à 7 km dans le cadre d'un service de sonde radio de routine. Il est donc compréhensible que l’on recherche des méthodes qui mesurent la teneur en eau de l’air sans la convertir en d’autres formes d’état. Le développement de méthodes visant à mesurer la teneur en vapeur d’eau au moyen d’une absorption sélective dans des plages spectrales appropriées a déjà conduit à des succès considérables. Ceci s'applique non seulement à la détermination de l'eau totale (équivalent en eau) contenue dans une colonne d'air à l'aide de l'absorption du rayonnement à ondes courtes dans le proche infrarouge (< 1 µm), mais aussi aux mesures dans la gamme du rayonnement à ondes longues (10 µm) et plus récemment dans la gamme des ondes cm.
i) En plus des méthodes de mesure de l'humidité décrites ci-dessus, le psychromètre est un groupe d'instruments de mesure largement utilisé pour la détermination exacte des paramètres d'humidité. Les psychromètres sont constitués de deux thermomètres du même type, dont l'un possède un récipient à mercure recouvert d'un bas de gaze continuellement humidifié. La chaleur est extraite du thermomètre « humide » par évaporation et, par conséquent, il affiche une température plus basse que le thermomètre « sec ». La différence de température entre les deux thermomètres est une mesure de l’humidité relative. La précision du psychromètre dépend de la méthode de mesure utilisée. Une distinction est faite entre les psychromètres à ventilation naturelle après août et les psychromètres à ventilation artificielle. Le psychromètre à aspiration selon Assmann est considéré comme l'instrument de référence pour le contrôle des appareils de mesure de température et d'humidité.